Brain pathophysiology has been traditionally studied by the biochemical approaches, and recent advances in engineering have led to new perspectives in solving problems in biomedical science. In particular, the physicochemical environment has known to closely interact with the development of the human body or to regulate the occurrence and progression of diseases. In this regard, there have been many investigations of cellular responses to the physical environment, such as electric field, fluid shear stress, and adhesion strength of the environment. In this dissertation, with respect to brain pathophysiology, we will investigate the cellular responses to a physical stimulus or environment and analyze them in both physical and biological meanings.
First, we explored the effect of exogenous electrical stimulation (ES) on recovery from the Traumatic Brain Injury (TBI) in a rodent model. Our data showed that the ES at early phase of TBI increased the number of anti-inflammatory immune cells and neural stem cells at the injury site, which are important for recovery of the damaged brain. Secondly, we investigated the phenotypic transformation of microglia in response to shear flow using a microfluidic system to mimic the interstitial flow condition in the brain. Following the onset of the flow, microglia exhibited a transition from an oscillatory movement with a bipolar shape to a persistent migration with a unipolar shape. The observed dynamic transition was shown to strongly correlate with biological properties of the cells. Thirdly, we developed a strategy for isolating brain glial cells by modulating the surface wettability of cell culture substrate. On a hydrophobized surface, a mixed population of glial cells was successfully segregated into two distinct groups, namely single adherent microglia and spheroidal aggregation of astrocyte/oligodendrocyte based on their intrinsic adhesion characteristics. Overall, this study emphasizes the importance and applicability of engineering approaches to research in brain pathophysiology.
최근 뇌 질환의 병태생리에 대한 연구는 전통적인 생화학적 방법에서 발전하여, 공학적 기술과 분석 방법을 접목하여 활발하게 수행되고 있다. 이러한 공학적 접근은 기존의 생화학적 연구 방법이 가진 한계를 극복하도록 하였으며, 실제 질병의 진단 및 치료에의 응용으로 이어져 의학분야의 발전에 기여하였다. 특히 개체의 기본 단위인 세포가 물리적 환경의 변화에 민감하게 반응하며 긴밀한 상관관계를 가진다는 사실이 밝혀지면서, 이를 기반으로 한 공학적 방법론을 통해 세포의 병태생리를 이해하거나 조절하기 위한 연구가 더욱 각광받게 되었다.
본 학위논문에서는, 뇌 병태생리에서 중요한 역할을 수행하는 아교 세포를 대상으로 물리적 자극 환경의 변화에 따른 세포 반응을 형태, 거동, 힘과 같은 역학 지표 외에 생물학적 지표의 분석을 통해 관측하였다. 첫째로, 외상성 뇌손상 치료 전략으로 외부인가 전기자극의 효과에 대한 연구에서는, 급성 단계에서의 전기 자극이 손상된 뇌를 회복시키는 데에 중요한 치유형 면역 세포와 신경줄기세포 밀도 증가를 유도하였음을 동물모델에서 확인하였으며. 둘째로, 뇌 조직내 존재하는 전단응력에 의한 미세아교세포의 상태 변화 연구에서는, 뇌 환경조건을 모사하기 위해 구축한 미세유체 시스템을 활용하여, 전단응력 변화에 따른 세포의 역학 및 생물학적 지표 변화에 대하여 살펴보았다. 마지막으로, 뇌세포의 분리 및 체외 배양을 효율성 제고를 위해, 세포 배양 기판의 표면 젖음성 조절을 통해 부착 형태가 상이한 단일 미세아교세포와 3차원 성상세포/희소돌기아교세포 스페로이드로 분리 배양하는데 성공하였다. 종합적으로, 본 연구를 통해 뇌 병태생리 연구에 대한 다각도의 공학적 접근 방법의 중요성 및 적용 방안을 제시하였다.
